黃陵二號煤礦基于5G技術的智慧礦山系統設計

張慧文

(陜西黃陵二號煤礦有限公司，陜西 延安 727306)

0 引言

近年來，黃陵礦業二號煤礦始終堅持“科技強企”的戰略，通過大力推廣應用新技術、新工藝、新設備，著力解決制約安全生產的技術難題，把煤炭行業前沿科技成果轉化為促進企業安全、高效、綠色發展的有效生產力，助推企業高質量發展。鑒于2020年3月，國家發展和改革委員會等8部委共同下發的《關于加快煤礦智能化發展的指導意見》，指出“煤礦智能化是煤炭工業高質量發展的核心技術支撐”，黃陵二號煤礦根據這一文件精神，逐步推進智慧礦山和智能化礦山的建設。

煤礦“新基建”是指以5G、數據中心、人工智能、工業互聯網等新技術在煤礦應用所必需進行的數字基礎設施建設。煤礦“新基建”并非僅指過去概念上的新通信設備、通信線路等信息基礎設施，還應擴大至大數據分析、物聯網、云計算、高速工業以太環網平臺，以及先進數字智能終端、礦用機器人等各類智能裝備[1]。

黃陵二號煤礦大采高智能化無人開采技術成功應用，實現智能工作面開采，但是存在傳輸方式仍為有線傳輸，數據傳輸時延高，且帶寬有限；人員定位系統采用“四統一”的信息系統解決方案，但區域定位技術不能顯示準確的人員位置信息；無軌膠輪車利用人員定位系統實現車輛區域定位，無語音調度通信，與集團公司和省煤監局檢查要求不符等諸多缺陷[2-3]。作為一級標準化礦井，該礦結合自身發展需要，在考慮國際國內最領先技術的同時兼顧設備功能最大化利用，按照統一規劃，統一實施的原則，建設一套能夠融合有線、無線、廣播及人員車輛安全監測與精確定位、智能礦燈系統的融合通訊系統，在解決存在問題的同時，也為該煤礦的智慧礦山建設打好堅實的基礎。

1 系統概述

1.1 建設目標

基于黃陵二號煤礦實際情況，首先要建設一套5G專用環網，使之主干傳輸寬帶達10萬兆、單點上傳帶寬大于1 000兆[4]；然后以專網規劃為依托，部署5G基站和融合基站，實現高精度人員定位、高精度車輛安全監控調度、智能礦燈管理、4K攝像儀的高清視頻回傳；其次井下所有覆蓋的區域都能通過5G、4G或WiFi基站與地面實現數據傳輸，做到井上井下互通互聯[5]。

實現在211工作面、420工作面、215掘進面、305掘進面覆蓋5G信號，依托5G網絡傳輸解決智能化采掘工作面數據傳輸，滿足地面對井下的5G遠程控制和采掘工作面全部高清視頻的5G超大帶寬上傳。

實現在井下膠帶巷、輔運巷覆蓋4G+WiFi+UWB信號，為井下人員的精確定位，車輛的精確定位、智能礦燈管理系統、語音通信及數據上傳提供網絡通道。利用原有的“四統一”系統，整合和改造原有的RFID區域定位系統，實現對人員和車輛的精確定位、測速管控、行車安全監測管控、語音調度通訊、預警提醒、智能紅綠燈、人員及車輛的軌跡查詢等。要求滿足靜態的定位精度在0.3 m以內，動態精度在1 m以內，檢測距離超過500 m[6]。通過智能定位礦燈，內置人員標識卡模塊和語音通話模塊，實現人員定位、語音通信及數據上傳等功能，實現井下特殊崗位及重點人員生命體征監測。

除此之外，整合現有的有線調度系統、廣播系統，將各系統之間數據打通，實現統一調度、統一管理。開放系統對接接口、協議，為煤礦的各信息系統提供基礎通道支撐[7-8]。

1.2 建設內容

1.2.1 建設一套10萬兆的全光工業核心主干環網

在黃陵二號煤礦的整體智能化設計方案中，井下融合各種系統基站建設需提前規劃，因此設計采用支持分組切片技術的SPN設備組建井下的傳輸網絡，主干采用48芯光纜傳輸，實現10萬兆環網的網絡建設，為5G、WiFi 6等網絡以及各類端到端應用的建設提供高可靠、硬隔離、低延時、高帶寬的傳輸網絡[9]。新網絡建成后，必須還能融合原有的網絡系統，在地面與原有的工業網實現互聯互通，確保新建網絡與原有系統之間的兼容性和可靠性。主干網的拓撲圖如圖1所示。

圖1 主干網拓撲圖

1.2.2 建設5G+4G+WiFi+UWB無線融合系統

在211工作面、420工作面、215掘進面、305掘進面需要建設5G+UWB無線網絡覆蓋，數據通過5G實現高可靠、高速率、低延時上傳，采用4G實現語音調度功能；實現智能化采掘工作面端到端的5G遠程控制及4K高清視頻的上傳[10]。

在輔助運輸大巷、膠帶大巷、211、213、215、303、305、420工作面、機電硐室的建設4G+WiFi+UWB融合網絡覆蓋；利用UWB技術，實現人員車輛的精確定位、測速、超速告警等功能；后期可支持擴容WiFi 6、NB-IoT等無線網絡，解決智能物聯網及萬物互聯問題[11]。

1.2.3 車輛管理系統及智能單兵系統

車輛安全監控調度系統的建設，實現車輛的精確定位、測速、超速告警、行車安全監控、行車智能導航、“滴滴”叫車、智能紅綠燈管控、車載語音調度等功能，并實現車輛在GIS地圖上實時查看車輛的運行位置及運行速度等參數。

智能單兵系統建設，實現智能單兵系統的一鍵調度、組群對講、移動廣播、可視通話、執法記錄等功能，以滿足陜煤股份下發的《煤礦“四員兩長”管理考核指導意見》的要求。

1.2.4 建設超融合調度通信平臺

融合各系統，實現井下有線調度系統、應急廣播、人員定位、車輛調度、無線通信、智能礦燈系統的統一管理、統一調度。融合現有區域定位入井人員信息“四統一”管理系統，實現以UWB精確定位技術為基礎的管理系統。為目前的安全生產信息共享平臺、省局的安全監控管理平臺、監測監控系統及以后的信息系統提供數據接口、協議。

2 系統建設

2.1 建設框架

智慧礦山建設的整體框架示意如圖2所示，框圖展示了地面設備和功能模塊的組成，以及井下主干網絡和子系統功能模塊的組成設備。

圖2 智慧礦山集成各系統框架示意

2.2 工作面5G通信系統

以黃陵二號煤礦211、420工作面，215、305掘進面為建設背景，地面與運營商合作與公網對接。在地面部署1套5G的MEC核心網，包括2臺網絡交換設備。在井下部署11臺SPN設備、4臺BBU、4臺RHUB和10臺RRU基站。以“4G/5G全覆蓋”的基本思路，在420、211工作面各部署5G RRU基站3個，215、305掘進面各部署5G RRU基站2個，并開通4G/5G網絡授權。

在工作面回兩側各部署1臺5G基站實現工作面切面5G信號的覆蓋，實現采煤機信號(包括機載高清視頻、傳感中心、參數控制)通過5G網絡傳輸至地面控制室和列車控制室；地面遠程操作臺和采煤機順槽控制箱體內配置礦用無線轉發器(5G CPE)和智能控制模塊，實現地面控制室(列車控制室)與采煤機等設備的5G通信交互。以綜采工作面的5G通信系統部署示意如圖3所示。

圖3 綜采工作面5G通信系統部署示意

2.3 人員車輛精準定位系統

定位系統選擇基于UWB的精確定位技術，具備500 m以上遠距離測量、測量精度高，巡檢周期短，工業以太網光纖通信，以及符合AQ 6210—2007煤礦人員管理系統技術要求的所有功能。

人員及車輛精確定位系統通過將讀卡分站設置在井下關鍵地點，讀卡分站采集到標識卡位置信息，通過接入主干環網，上傳到地面計算機[12]。攜帶標識卡或者頭戴智能礦燈的人員經過巷道的讀卡分站識別監測點時，標識卡發射出來的信號立即被天線捕獲，并通過系統網絡的信息交換，將此人通過的路段、時間等信息傳輸至井上安全監控中心處理。如若進入到電子圍欄限制區域，或者標識卡信息無效，系統會立即彈出報警彈窗，并發出語音報警，監控中心值班員收到信息后，將即刻根據應急預案的程序采取相應的措施。

2.4 智能礦燈管理系統

智能礦燈作為一款單兵裝備集語音、拍照、視頻、精確定位、藍牙、無線等功能于一體，在具備豐富功能的同時可以開發人員唯一性檢測功能，保證礦燈與人員的強連接，并可通過礦燈的藍牙連接手環，將手環數據的上傳，實現井下人員的動態健康管理，經過開發與井口的唯一性檢測系統配合，可實現人員生命體征與出入井閘機的聯動，進而控制體征不正常的人員下井。依托智能礦燈的精確定位與遠程視頻監控等功能，經過開發可實現人員行為的管理。

2.5 綜合調度通信系統

結合原有的有線調度通信系統、應急廣播系統等，并依托于“一張圖”地理信息系統、5G通信技術和精確的定位數據，再升級成為智能融合調度通信平臺，可提供人員所在區域內相關設備的信息，如固定本安電話、單兵智能物聯終端、廣播設備、視頻監控設備、其他機電設備狀態信息等，并且可以一鍵調用區域設備[13]。通過瀏覽器的方式以數字和圖形的方式進行顯示。利用融合調度軟件可有效的將各個子系統進行融合或聯動，實現統一調度監管和應急聯動，并采用云維護實現系統的遠程實時維護。

3 結語

黃陵礦業二號煤礦以10萬兆工業環網為引領的數字化、網絡化、智能化礦山建設，通過與5G、4G、WiFi 6、UWB融合通信，形成了礦井數據立體化高速傳輸模式，將井下信息傳輸提升到“高鐵速度”，再將礦井各生產子系統按統一標準接入“智慧礦山管控平臺”，所有數據存入統一數據庫，通過“一張圖”，達到數據的綜合展示，實現了智能調度、智能生產、智能安全、智能決策等一系列應用，促進礦井人少化、無人化開采，由此把自己打造成為全國煤炭行業創新發展的典范。